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地外文明探索与超光速研究-03 中国传媒大学信息工程学院 黄志洵  

2014-07-08 22:57:14|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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地外文明探索与超光速研究-03

  中国传媒大学信息工程学院   黄志洵

 

    3. 早期和中期的超光速研究

在1905年以前,科学界对“速度”从未认为存在极限。1905年狭义相对论(SR)问世,其中却有一条“光速极限法则”。我们知道,A.Einstein是一位家喻户晓的人物,纵观他的一生和他的工作,称他为“伟大的物理学家”是没有问题的。他的光子学说,以及他的其它科学贡献,确实可以彪炳千秋。但是,对他的相对论人们提出了越来越多的质疑。例如,早在1962~1971年间,H.Bondi、P.G.Bergmann和N.Rosen就指出,相对性原理和宇宙学原理之间存在着深刻的矛盾。然而,正是相对性原理和光速不变原理一起,构成了SR的基础。而且,Einstein的光速不变原理实际上是假设“单程光速不变”,这个假设至今也没有得到实验上的证明,甚至被认为是不可能证明的假定。中国科学家陆启铿、邹振隆、郭汉英早在1980年就曾指出,对于现实宇宙的大尺度行为SR已无意义,故对相对论的理论基础必须重新考察。

 

SR理论断言“超光速运动不可能”,其实是站不住脚的。这个断言主要来自两个推论,一是“运动物体在运动方向上的尺度随速度增加而减小”,二是“运动物体的质量随速度增加而加大”。其实,这两个推论都没有直接的、判据性的实验证明。因此,多年来超光速研究也就在我们这个星球上不断地开展。它虽然还处在婴儿时期,对科学和技术的发展已产生了良性刺激。

 

最早的报告来自对微观粒子的观测。长期以来,人们认为介子(mesons)的运动速度小于光速。1955年,O.Chamberlain等的文章(Phys.Rev.,Vol.100,947)说,对π介子的测量表明,它的飞行速度是超光速的;但以后没有对此再研究下去。20世纪60年代以来的超光速研究,即早期开展的工作,是寻找“快子”及观测类星体。“快子”一词的英文是tachyons,是美国Coloumbia大学教授Gerald Feinberg于1967年提出来的;它是根据tachus(希腊文中意为“快速”)而创造的词。快子以超光速运动,其速度v>c。1960年之后,一些物理学家认定:Einstein的“速度极限”(speed Limit)不能用在“已经以超光速运动的粒子”身上,这种粒子就是快子。为了不与SR理论相矛盾,Feinberg 假定快子的静止质量为虚数。然而,人们一直无法说明“虚数质量”的意义,实验上也找不到证据。后来,即在1986年~2000年间,对中微子(neutrinos)的测量表明可能其<0,故一些物理学家认为中微子是快子,以超光速运行。但迄今为止尚不清楚中微子的运动速度究竟是怎样的;而且,对其可能为负数也有其它不同的解释。

 

快子有一些古怪的特性。例如,它损失能量时将加速,故能量为零时的速度是无限大。实际上,只有无限大能量才能使快子减速到c。无限大能量是不可能达到的,故快子不能以c(以及小于c)的速度运动。快子仿佛存在于相对于亚光速粒子来讲是镜象的世界。当它穿过真空空间,会产生称为Cerenkov辐射的光锥。……尽管快子尚未找到,然而最早是为了避开狭义相对论(SR)困难而提出的快子,却出现在各种物理理论中。例如,有人认为宇宙线中可能有快子;也有人认为它存在于暗物质(dark matter)里;在弦论(string theory)中快子也有重要意义。

 

与此同时,科学家们把目光投向宇宙深空。20世纪70年代,在射电天文观测中通过甚长基线干涉仪(VLBI)技术发现了数十个河外射电源有超光速膨胀现象。在遥远的宇宙深空,类星体(quasrs)是具有活动星系核的一类星系,是很密的物质。对273类星体的观测,1971、1977年M.H.Cohen报告了其分离速度;1979年G.A.Seielsted报告了,而1981年T.J.Pearson也报告了。……问题是对这种“天体运动中的超光速”应当怎么看?有人从SR出发认为这只是“表观超光速”,即一种视现象。然而,长期积累的观测数据表明这类膨胀在加速,并且似乎与Einstein引力理论中的类空运动呈现的规律非常相似。就是说,虽然SR否定超光速运动的可能,但广义相对论(GR)的宇宙论的类空测地线规律又与宇宙星体超光速运动的规律相符!天文与天体物理学家曹盛林曾对273的观测数据作拟合研究,发现其结果否定了所谓“视超光速”SR喷流模型,而支持GR类空测地线描写的“真实超光速膨胀”模型。故他认为类星体的有关超光速数据不是“表观超光速”,而是实在的超光速运动。

 

超光速研究的中期大约从1992年开始,特点是发现光子、微波、光脉冲和电脉冲的传输速度可以超光速。一个著名的实验是在1993年发表的:美国Berkeley加州大学的A.M.Steinberg, Kwait和R.Chiao(乔瑞雨)测量了光子穿过厚1.1μm的位(势)垒时的时延,并在一种称为“双光子赛跑”的实验安排中证明光子的隧穿速度为(1.7±0.2)c。这个实验装置的高水平令人惊叹!

 

众所周知,电磁波是非实体物质。对自由空间中的波、无线电波脉冲、微波脉冲、光脉冲的传输速度的实验研究,是在1992年及以后的10年中展开的。德国科隆大学的G.Nimtz等用微波脉冲通过截止波导,获得了(1992年)和(1997年)的数据。A.Ranfagni等用双角锥喇叭在微波实验,1996年获得了自由空间的波速为超光速。2000年,D.Mugnai等用改进的喇叭天线法得到超光速。在无线电波频率上的脉冲传输也获得了超光速——2002年A.Hachè和L.Poirier用模拟光子晶体的同轴结构获得了群速vg=(2-3.5)c。用类似方法,J.N.Munday和W.M.Robertson获得vg是超光速(2002年);黄志洵和逯贵祯获得vg=(1.5-2.4)c(2003年)。

 

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